CC BY
266
Поляризационная модовая дисперсия на волоконно-оптической линии передачи
При увеличении скорости передачи выше 10 Гбит/с кроме хроматической дисперсии начинает интенсивно
влиять именно поляризационная модовая дисперсия. В данной статье предлагается метод определения влияния
поляризационной модовой дисперсии на волоконно-оптической линии связи. Необходимым условием является
знания требуемой длины линии, типа оптического волокна, числа каналов для ВОСП-СР и скорости передачи.
При скоростях передачи 10-100 Гбит/с требуется оценка значения отношения сигнал/шум, при выбранной
длине усилительного участка и необходимого числа усилительных пунктов, наличие усилителей мощности,
компенсаторов хроматической дисперсии и предусилителей. Все эти элементы вместе с другими элементами,
кроме изоляторов, фильтров и т.д., оптического волокна, также оказывают влияние на значение
поляризационной дисперсии волоконно-оптической линии связи. При увеличении скорости до 40 Гбит/с ПМД
возрастает в 4 раза, влияние хроматической дисперсии возрастает в 16 раз, увеличивается влияние нелинейных
эффектов. Нелинейные эффекты ограничивают передачу и зависят от ряда факторов: скорости передачи,
оптической мощности, оптического волокна, формата модуляции. Уменьшить или ограничить это влияние можно
выбором ОВ, выбором формата модуляции, оптической фазовой конфигурацией, дисперсионным решением,
электронной техникой. Требование к оптическом отношению сигнал/шум повышается на 6 дБ. Приведено
эмпирическое выражение для ООСШ. Предложенные решения по эмпирической формуле расчета отношения
сигнал/шум позволяют на основании требований к линиям и системам передачи позволяют решить оптимально Ключевые слова: поляризационная ' „ г г _ г
задачу по выбору длины участка регенерации, числу каналов и типу системы передач. Применение различных модовая дисперсия, хроматическая _ ■ # # ■ г , •
устройств для компенсации дисперсии и, в частности, поляризационной дисперсии все больше требует новых дисперсия, компенсация, упреждающая - _..„
,, решений. Целесообразно использовать современные разработки для подавления влияния ПМД на передачу в
коррекция ошибки, системы передачи, _„ .. пип
установленных ОВ. Окончательное решение по учету и компенсации ПМД принимается после оптическое волокно. _
предварительного полного расчета и компенсации линии по хроматической дисперсии.
Портнов Э-П.,
МТУСИ, д.т.н. заведующий кафедрой Направляющие
телекоммуникационные среды,
lc@mtuci.ru
Григорьян А.К.,
аспирант МТУСИ, инженер ОАО "Красная Пресня", mer sad@mail.iv
Таблица 1
Типовое значение ООСШ для различных скоростей передачи
Скорость передачи,Гбит/с 10 40 100
Qs, треб.,дБ 18 24 28
Qo ,трсб 1,68 2 2,26
Q-э, треб при КБО = 10"3 8 16 26
При переходе со скорости передачи с !0 Гбит/с на скорость передачи 40 Гбит/с требования к ООСШ повышается па 6 дБ, ПМД возрастает в 4 раза, влияние хроматической дисперсии возрастает в 16 раз. увеличивается влияние нелинейных эффектов {] -6).
Использование упреждающей коррекции ошибки позволяет снизить значение отношения сигнал/шум на 6 дБ. Решение для длины усилительного участка по затуханию для данной скорости передачи позволяет решить задачу по компенсации хроматической дисперсии с учетом хроматической дисперсии высшего порядка. Зная все значения но всем элементам и их количество, с учетом значения поляризационной дисперсии оптического волокна, определяем значение поляризационной модовой дисперсии на линии. И сравниваем его с существующими нормами.
Для преодоления негативных воздействий на ООСШ используется упреждающая коррекция ошибок (ПКО); для уменьшения влияния ПМД выбирается формат модуляции (RZ-DPSK), для преодоления воздействия хроматической дисперсии используются компенсирующие ОВ или электронная компенсация; нелинейность корректируется с помощью формата модуляции. Типовое значение ООСШ требуемое для различных скоростей передачи при прямом детектировании при 10~9 коэффициенте битовых ошибок приведено в табл. 1.
62
Эмпирическое выражение для ООСШ представлено для длины волны 1550нм следующим выражением: ООСШ(дБ)=58-- М-Р--10\%1+Р,ЛВ-10- 1$М-К (1) М — число каналов, N - число усилителей, Ь - потери на один пролет, ЫР-шум усилителя, Р„ыя - выходная мощность усилителя, К - другие факторы.
Предложенные решения по эмпирической формуле расчета отношения сигнал/шум позволяют на основании требований к линиям и системам передачи позволяют решить оптимально задачу по выбору длины участка регенерации, числу каналов и типу системы передач.
Требуемая величина оптического отношения сигнал/шум составляет 18 дБ при формате модуляции «включено-выключено» при коэффициенте битовых ошибок (КБО) 10 при скорости передачи В = 10 Гбит/с [3, 4]. 11ри увеличении битовой скорости в четыре раза при том же значении коэффициента битовых ошибок требуемая величина отношения сигнал/шум (Оэ) должна увеличиться на 6 дБ, т.е. до 24 дБ.
Нелинейные эффекты ограничивают передачу и зависят от ряда факторов: скорости передачи, оптической мощности, оптического волокна, формата модуляции. Уменьшить или ограничить это влияние можно выбором ОВ. выбором формата модуляции, оптической фазовой конфигурацией, дисперсионным решением, электронной техникой. Следует от-
Т-Сотт #9-2014
Л
метить, что коэффициент битовых ошибок возрастает при увеличении вводимой в ОВ мощности из-за нелинейности ОН.
Определим для стандартного оптического волокна С-652 и оптического волокна 0-655 допустимые длины по дисперсии при скоростях передачи 10, 40,100ГТ)ит/е и при величинах групповых скоростей для ОВ С-652 - 22,4 пс2/км (О = 18пс/нмкм), а для ОВ 0-655 -5 псг/км (Ю = 4пс/нм-км) на длине волны 1550 им без учета поляризационной МОДОВОЙ дисперсии. Результаты расчета приведены в табл. 2.
Таблица 2
Допустимые длины но хроматической дисперсии для различных скоростей передачи и форматов модуляции
Во всех рассмотренных расчетах Qj-фактор будет равен 7,1, что соответствует вероятности ошибкйКГ \ При средней постоянной оптической мощности сигнала Оптический импульс при формате модуляции RZÜ5 будет иметь удвоенную пиковую мощность по сравнению с форматом модуляции NRZ. Увеличение мощности возникает вследствие того, что оптические усилители входят в режим насыщения; в результате усиление будет соизмеримо со средней входной мощностью, а фотогок фотодетектора пропорционален оптической мощности. Поэтому принимаемая электрическая мощность пропорциональна квадрату оптической мощности. Используем 1-е поколение упреждающей коррекции ошибки: код Рида-Соломона имеет избыточность 6,7% (255-239/239 = 6,7%) Это позволяет использовать вероятность ошибки при BER 10"12 Q:i = 11,5 дБ, т.е. Q, =3,6, что соответствует вероятности ошибки 1,8-Ю4. EÍ результате получим увеличение длины по дисперсии для формата модуляции NRZ до 14,4 км:
¿ = _¡L_™_=[4 4К.М (2)
4
В результате допускается уширение передаваемого импульса при первом поколении упреждающей коррекции ошибки:
Ti__Jl i 3,42 | ^ т е можно допустить уширение им-
Г*" Q, '
пульса, равное 1,4 вместо 1,25 и допустимые потери вырастут до 1,45 дЬ вместо 1 дЬ.
При использовании формата модуляции CRZ получим решение в виде:
4-QÍ'A
При скорости передачи 40 Гбнт/с, С = 1, dm = 05, Рг = 5пс'/км и Q, = 3,6 получим значение L = 8,2 км, а при втором поколении 1=9,6км .Эти значения в 2 раза превышают значения, полученные для формата модуляции RZ.
Полученные результаты позволяют определить значения длины элементарного кабельного участка, при которой пет необходимости компенсировать хроматическую дисперсию.
Однако, длина ЭКУ возрастает значительно за счет кодирования в данном случае усиления на 40 км и более.
При расчетах не учитывается ПМД усилителей и ком-
пенсирующих Оптических волокон
_Г0,1Гв j /д
Afflíí
f Jo,1-у
иди/ \ / ^ х.
(4)
Тип ОВ ЮГйит/с NRZ 1.д,км|0,751.д, км 10Гбнт/с RZ05 Ьд,км/0,75Ьд, км 40Гбнт/с NRZ LJJ.km/LJ. км -ЮГбит/с RZ05 Ьд.км/Ьд, км 100 Г'бит/с NRZ [.Л.ки Л д. км 1 ООГбнт/ RZ05 Г.д.кмЛ д. км
G-652 55,8/41,9 14/10.5 3.5/2,6 U.9/U.Ú5 0,56/0,42 11,14/0.1
Ü-655 250/187,5 62,5/46.9 15,6/11,7 3,9/2,9 2,5/¡,9 0,625/0,47
ЙЩ/ \ / "ХД'
1 Три определении влияния ПМД па длину ЭКУ следует ориентироваться на допустимые значения.
Согласно (4) требования к поляризационной модовой дисперсии к оптическим волокнам для телекоммуникационных приложений представлены в табл. 3.
Таблица 3
Требования ПМД ОВ и систем передачи
В,Гбит/с код дгз, мах, пс ПМД системы, пс ПМДОВ ПС L системы, км Ко- лфф.ПМД. Пс/Vkm
10 NRZ 26 7.5 5,3 100 0,53
10 NIÍZ 26 7,5 5,3 4000 0,08
40 NRZ 6,5 1,9 1,3 100 0,13
40 NRZ 6,5 1,9 1,3 2000 0,03
40 RZ 9,1 2,6 1,9 2000 0,04
40 RZ 4,6 1,3 0,9 1000 0,03
Как видно из этой таблицы, ПМД ОВ отличается от ПМД системы передачи в ^¡2 раз. Если использовать согласно (5) параметр надежности 3,5, то допустимые длины изменяться в зависимости от ПМД ОВ, 11МД системы и 11МД надежности ВОЛП. Результаты расчета приведены в табл. 4 для формата модуляции НВН.
Таблица 4
Допустимые длины при различных значениях ПМД
ПМДОВ,пс/\км 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02
L.km B= 10Гбит/с 400 2500 10000 40000 250000
L,km В-40Гит/с 25 156 625 2500 15625
L,km В=100ГЬпт/с 4,0 25 100 400 2500
П M Дс истем ы, пс/Vk м 0.707 0,283 0,141 0.071 0,028
L.km В=ЮГБит/с 200 1250 5000 20000 125000
L,km В=40ГБит/с 12,5 78 312 1250 7812
1..км В= 1 ООГБит/с 2,0 12,5 50 200 1250
11МДнадежнстн,пс\км - 0,7 0,35 0.175 0.07
L,km В=ЮГБит/с - 204 816 3265 20408
L,km В=40ГБит/е - 12,7 51 204 1275
L.km В=1 ООГБит/с - 2,0 8.2 32,6 204
Зная длину ВОЛП, скорость передачи, следует определить, когда длина линии будет укладываться в норму с потерей 1дБ, зная значение ПМД ОВ.
При значениях Ьволп< Ьсистемы для рассматриваемого формата модуляции можно не принимать мер по компенсации ПМД для данной системы, а при переходе на более высокие скорости следует пересмотреть ранее полученное решение. Проверка на надёжность даст основание считать, что глазковая диаграмма не закроется и величина 0,26 Тг> не будет превышена.
Применение различных устройств для компенсации дисперсии и, в частности, поляризационной дисперсии все больше требует новых решений. При увеличении скорости передачи выше 10 Гбиг/с кроме хроматической дисперсии
T-Comm #9-2014
63
начинает интенсивно влиять именно поляризационная МОДО-вая дисперсия (НМД), Особенно это сильно сказывается на стандартном оптическом волокне (О В) и на уже установленных оптических волокнах, у которых ПМД параметр в 1001000 раз больше, чем у самых современных ОВ. Поэтому, целесообразно использовать современные разработки для подавления влияния ПМД на передачу в установленных ОВ. Динамическая компенсация 11МД базируется на следующем принципе: включение линии задержки одной из компонент поляризации фундаментальной моды ЬР0|, Одним из достижений оптической компенсации ПМД, базируется на оптике в свободном пространстве. Однако, этот метод имеет большое число трудностей, связанных с отражением и выравниванием, Другой метод основан на температурной настройке малых длин ОВ с большим двулучепреломлением. Третий метод основан на применении Брегговских решеток. Наиболее эффектным является метод, основанный на оптической линии задержки между ортогонально поляризованными модами в динамическом компенсаторе ПМД, которая может настраиваться в широком диапазоне длин волн.
При применении различных форматов модуляции и упреждающей коррекции ошибки необходимо учитывать влияние ПМД на дисперсионную длину и, следовательно, па длину компенсирующих оптических волокон. Определим дисперсионную длину с учетом Квадратурно-фазовой модуляции с невозвратом к нулю (ПВО) и упреждающей коррекции ошибки первого поколения (УКО):
(5)
h=T><i 3,33
fa
Получим Б(1 = 41 км, 11ри потерях на хроматическую дисперсию 1 дБ допустимая длина по дисперсии в этом случае будет равна 31 км. Следовательно, для компенсации дисперсии следует использовать 34 км дисперсионного волокна. В этом случае:
75'Ть ■ d;n ■ (3,33 ■ IgMf ■ j ^-j
(6)
8
В результате получено решение по хроматической дисперсии и её компенсации на линии.
Зная длину линии и все элементы без компенсаторов ПМД определим Г1МД1 и Г1МД2 (5)
ПЩ\ = 3,5-р ■ (£ ■ 1}м + т1и> ■ Цми> + (7>
ПМД 2 = (ПМД 1 )7 V3;{/7/ед !)* + ПМД 2 = ПМД В результате:
(0,75 ■ 0,9 ■ Т? ■ d;u ■ {3,33 ■ IgM)2 {О,- Щ)
L =
(8)
(^¡к + Ашк> )
(8,8 -(Д Ь + Д .)/{£ л-1 .)
^ на / . J шл) ОфвО /
Увеличивая длину и число компенсирующих модулей на ВОЛI, мы увеличиваем 11МД,
Окончательное решение по учёту и компенсации Г1МД принимается после предварительного полного расчета и компенсации линии по хроматической дисперсии. При дифференциальной мо до вой задержке, равной 0,5ТР коэффициент битовых ошибок (КБО) будет равен 10"', а при норме 0,1 Тд КБО равен Ш"4, Поэтому следует решить задачу как по компенсации хроматической дисперсии, так и по поляризационной модовой дисперсии.
Литература
1. Портков Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптических кабельных линий. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. -544 с,
2. Григорьян А.К. Оценка методики расчета компенсации хроматической и поляризационной модовой дисперсии // Электросвязь, №12, 2012.-С. 28-30,
3. Гоигорьян А.К. Упреждающая коррекция ошибки при скоростях передачи 10-100 Гбит/с при форматах модуляции NRZ, RZ и CR //T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, №1, 2012. - С.53-56.
4. МенЗез А., Морзе ТФ. Справочник по специализированным оптическим волокнам, - М.: Техносфера, 2012. - 728 с,
5. Menyuk C.R., Gaharossa A. Polarization mode dispersion. Springer, 2005. 298 p.
6. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. - М.: Мир. 1996. -324 с.
PMD in a fiber-optic transmission line
Portnov E.L., MTUCI, head of department, lc@mtuci.ru; Grigoryan A.K., graduate student MTUCI, OAO "Krasnaya Presnya", engineer, mer_sad@mail.ru
Abstract. By increasing the transmission rate above 10 Gbit / s except for the chromatic dispersion becomes heavily influence is PMD. This paper proposes a method of determining the effect of PMD on a fiber -optic line. Prerequisite knowledge is required of the line length of the optical fiber , the number of channels for OFTS-WD - speed transmission. With transmission speeds of10-100 Gb / s requires an assessment of the value of the signal / noise ratio at the selected length of the amplifier section and the required number of reinforcement points , the presence of power amplifiers , chromatic dispersion compensators and preamplifiers. All these elements together with other elements, other than insulators, filters, etc. , the optical fiber also affect the polarization dispersion value of the fiber- optic link . With increasing speeds up to 40 Gb / s PMD increases 4 times , the effect of chromatic dispersion increases by 16 times , increasing the influence of nonlinear effects. Nonlinear effects limit the transmission and depend on a number of factors: velocity of the transmission optical power of an optical fiber, a modulation format. Reduce or limit this effect by choosing the OM choice modulation format, the optical phase configuration, the dispersion solution, electronic appliances. Requirement for optical signal / noise ratio is increased by 6 dB. The article gives an empirical expression for OSN. Proposed solutions to the empirical formula for calculating the signal / noise ratio on the basis of permit requirements for lines and transmission systems can solve the problem of optimal choice of length regenerator section , the number of channels and the type of the transmission system . The use of various devices for the dispersion compensation, and in particular, the polarization dispersion more requires new solutions. Advisable to use modern design to suppress the influence of PMD on the transmission installed in the OS. The final decision on accounting and PMD compensation is received after the preliminary full settlement and compensation line chromatic dispersion. Keywords: polarization mode dispersion, chromatic dispersion compensation, forward error correction, transmission systems, optical fiber
References
1. Portnov EiL Principles of construction of primary networks and optical cable lines. Moscow, 2009. 544 p.
2. Grigoryan A.K. Evaluation methods for calculating compensation of chromatic and polarization mode dispersion / Elektrosvyaz', No12, 2012. Pp. 28-30.
3. Grigoryan AKAdvance correction of errors in transmission speeds of 10-100 Gb/s Modulation Formats for NRZ, RZ and CR / T-Comm, No1, 2012. Pp. 53-56.
4. Mendez A, Morse IP Specialty optical fibers handbook. Moscow, 2013. 728 p.
5. Menyuk CiRi, Gaitarossa A. Polarization mode dispersion. Springer, 2005. -98 p.
6. Agrawai G. Nonlinear Fiber Optics. Moscow, 1996. 324 p.
64 T-Comm #9-2014
Л
